ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: E L EK TR Y K A z. 172
2000 N r kol. 1470
A dam M A REK Tadeusz R O D A C K I
BADANIA SYMULACYJNE ZASILACZY ŁUKU PRĄDU PRZEMIENNEGO
S treszczen ie. W artykule tym przeanalizow ano zasilacze luku spawalniczego z wyjściem zm iennoprądow ym . Zasilacze te składają się z czterech stopni transform acji energii. Układy zasilające obciążenie w postaci łuku spawalniczego zostały przebadane za pom ocą program u sym ulacyjnego TC A D 6.2. N a podstaw ie uzyskanych w yników sym ulacji starano się określić przydatność tych układów do zasilania tego typu obciążenia.
SIMULATION RESEARCH OF THE ELECTRIC ARC INVERTERS
S u m m a ry . The paper contains analysis o f the electric arc feeders w ith alternating current output. These feeders are com posed o f four stages o f energy transform ation. Supply systems loaded the electric arc w ere tested using the sim ulator program TCA D 6.2. Usability o f these supply system s w ith such a kind o f load was determ ined basing on the sim ulation results.
1. W STĘP
M odel blokow y zasilacza łuku spawalniczego z w yjściem zm iennoprądow ym został przedstaw iony na rys. 1 [3]:
Rys. 1. Schem at blokow y zasilacza łuku spawalniczego z w yjściem zm iennoprądow ym Fig. 1. Block diagram o f electric arc feeder w ith ac current output
W układzie z ry s .l prostow nik Prost 1 przetw arza trójfazowe napięcie przem ienne na napięcie stałe, zaś falow nik Fal 1 kształtuje prostokątne napięcie na w yjściu i pracuje z m ożliw ie d u żą częstotliw ością w celu obniżenia gabarytów i m asy transform atora pośredniczącego. Z adaniem falow nika Fal 2 je st odpow iednie ukształtow anie przem iennego prądu (napięcia) w yjściow ego zgodnie z w ym aganiam i procesu spawania. M ożliw e jest też zasilanie łuku spaw alniczego prądem (napięciem ) stałym z w yjścia prostow nika Prost 2.
Z asilacze o schem acie blokow ym takim ja k na rys. 1 posiadają wiele zalet w porów naniu z konw encjonalnym i zasilaczam i łuku prądu przem iennego. S ą nimi zw łaszcza takie cechy, jak:
m niejsza m asa i m niejsze gabaryty (m a to znaczenie zw łaszcza dla transform atora pośredniczącego), w yższa spraw ność energetyczna, lepsza dynam ika całego układu, m ożliw ość odpow iedniego kształtow ania charakterystyki zewnętrznej zasilacza, krótsze okresy bezprądow e podczas przechodzenia prądu prze zero, m ożliw ość płynnej nastawy prądu (napięcia) w szerokim zakresie, stabilność param etrów w yjściow ych przy zm ieniającym się napięciu zasilania i m ożliw ość kształtow ania prądu (napięcia) w yjściow ego zgodnie z w ym ogam i technologicznym i.
2. S C H E M A T Y I K R Ó T K A C H A R A K T E R Y ST Y K A Z A SIL A C Z Y BĘ D ĄC Y C H P R Z E D M IO T E M B A D A Ń
P rzedm iotem badań były układy, w których zm ieniany był jedynie blok Fal 1 i blok Prost 2. U znano bow iem , że prostow nik Prost 1 będzie w postaci sześciopulsow ego mostka diodow ego, a falow nik Fal 2 - w postaci jednofazow ego, tranzystorow ego falownika prądow ego. Z ałożenie takie uzasadnia się tym , że dąży się do tego, by: układ pobierał niew ielką m oc b iern ą z sieci (a tym sam ym w niewielkim stopniu niekorzystnie w pływ ał na sieć zasilającą), aby układ był w m iarę m ożliw ości prosty oraz um ożliw iał dowolne kształtow anie prądu w yjściow ego zgodnie z w ym ogam i technologicznym i.
W artykule tym rozpatruje się układy, w których falow nik Fal 1 w ystępuje w trzech w ariantach [1], [2], [4]:
a) dw óch tranzystorów oraz dw óch diod,
b) pary tranzystorów w raz z diodam i zw rotnym i zasilanych z pojem nościow ego dzielnika napięcia,
c) jednofazow ego, m ostkow ego falow nika napięcia.
B lok P rost 2 przyjęto, że będzie w ystępow ał w postaci [1], [2], [4]:
a) jednej diody oraz diody zw rotnej,
b) jednofazow ego, m ostkow ego prostow nika diodowego,
c) prostow nika dw upołów kow ego, w przypadku gdy transform ator pośredniczący będzie transform atorem trój uzwój eniow ym z w yprow adzonym „zerem ” .
112_______________________________________________________________ A .M arek, T.Rodacki
B adania sym ulacyjne zasilaczy. 113
W przeprow adzonych rozw ażaniach kładzie się nacisk głównie na sprawdzenie m ożliw ości w ybranych typów zasilaczy w zakresie uzyskiw ania m aksym alnych mocy, a także na spraw dzenie w pływ u, ja k i m ają param etry układu na moc w ydzielaną w obciążeniu.
O bciążenie przyjęto ja k o rezystancję, co zw iązane je st z faktem , że łuk elektryczny w sensie elektrycznym stanow i rezystancję silnie nieliniow ą. W przedstaw ionych przykładach zasilaczy przyjęto do badań rezystancję o stałej w artości ze w zględu na to, że łatwiej jest w ykazać w łaściw ości zasilaczy dla takiego przypadku.
Schem at najprostszego układu, w którym falow nik Fal 1 występuje w postaci falownika półsterow anego, a prostow nik P rost 2 - prostow nika jednopołów kow ego w raz z diodą zerową, przedstaw iono na rys. 2 :
Rys. 2. Schem at układu z półsterow nym falow nikiem Fal 1 oraz z jednofazow ym , jednopołów kow ym prostow nikiem diodow ym Prost 2 i diodą zerow ą
Fig. 2. D iagram o f h alf - controled inverter Fal 1 and single - phase, h a l f - w a v e , diode rectifier P rost 2 and backw ard diode
W układzie tym w czasie przew odzenia tranzystorów Ti i T2 następuje przekazywanie energii do obciążenia poprzez transform ator pośredniczący T r, diodę D3 i falow nik prądowy.
Energia zgrom adzona w transform atorze pośredniczącym je st oddaw ana w następnym etapie pracy układu - w yłączeniu tranzystorów Ti i T2 i rozpoczęciu przew odzenia diod D | i D2. W tym czasie prąd obciążenia zam yka się poprzez diodę zerow ą D4 i falow nik prądowy.
Innymi przyjętym i do analizy rozw iązaniam i są układy, w których falow nik Fal 1 oparty je st na parze tranzystorów w raz z diodam i zwrotnymi zasilanych z pojem nościow ego dzielnika napięcia, a prostow nik P rost 2 - na jednofazow ym , m ostkowym prostowniku diodow ym (rys 3) lub na prostow niku dw upołów kow ym (rys. 4):
Rys. 3. Schem at układu z jednofazow ym falow nikiem Fal 1 z d zieloną pojem nością oraz z jednofazow ym , m ostkow ym prostow nikiem diodow ym Prost 2
Fig. 3. D iagram o f single - phase inveretr Fal 1 w ith sectional capacitor and single - phase, bridge diodę rectifier P rost 2
Rys. 4. S chem at u kładu z jednofazow ym falow nikiem Fal 1 z dzieloną pojem nością oraz z jednofazow ym , dw upołów kow ym prostow nikiem diodow ym i P rost 2
Fig. 4. D iagram o f single - phase inveretr Fal 1 w ith sectional capacitor and sin g le - phase, full - w ave, diode rectifier Prost 2
W układach tych w ystępują cztery bądź sześć stanów pracy (przy sterowaniu sym etrycznym ): pierw szy z nich obejm uje stan, w którym przew odzi tranzystor T j, po czym następuje w yłączenie tranzystora T i i jednocześnie zaczyna przew odzić dioda D 2. D ioda D i
„przejm uje” p rąd płynący przez uzw ojenie pierw otne transform atora pośredniczącego T r.
Sytuacja taka m a m iejsce ze w zględu na to, że prąd płynący przez uzw ojenie pierw otne transform atora nie m oże zm ienić sw ego zw rotu skokow o. W m om encie gdy prąd ten osiągnie w artość zero w ą w układach albo nie płynie żaden prąd, albo prąd zaczyna płynąć w kierunku przeciw nym i zam yka się przez tranzystor T2 (ma to miejsce w przypadku, gdy tranzystor T 2
B adania sym ulacyjne zasilaczy. 115
został załączony po w yłączeniu tranzystora T i, lecz przed zakończeniem tego stanu, w którym przew odzi dioda D2). Po w yłączeniu tranzystora T2 sytuacja staje się analogiczna do om ów ionej pow yżej. W stanie gdy tranzystor T, zaczyna przew odzić, kończy się cykl pracy układu. W następnym etapie sytuacja się powtarza.
O statnie dw a rozpatryw ane układy posiadają te same prostow niki Prost 2, lecz falownik Fal 1 w ystępuje tu w postaci jednofazow ego, m ostkowego falow nika napięcia. Schem aty tych układów przedstaw iono na rys. 5 i 6.
Rys. 5. Schem at układu z jednofazow ym , m ostkowym falow nikiem napięcia Fal 1 oraz z jednofazow ym , m ostkow ym prostow nikiem diodowym Prost 2
Fig. 5. D iagram o f single - phase, bridge inverter Fal 1 and single - phase, bridge diode rectifier P rost 2
Rys. 6. Schem at układu z jednofazow ym , m ostkowym falownikiem napięcia Fal 1 oraz z jednofazow ym , dw upołów kow ym prostow nikiem diodowym Prost 2
Fig. 6. D iagram o f single - phase, bridge inverter Fal 1 and single - phase, full - wave diode rectifier P rost 2
U kłady z rys. 5 i 6 m ają podobną zasadą działania ja k układy z rys. 3 i 4. Różnica polega na tym, że tranzystory i diody w tych układach przew odzą param i. Przykładowo zakładamy,
116 A .M arek, T.Rodacki
że cykl rozpoczyna się w m om encie, gdy zaczyna przew odzić para tranzystorów Ti i T,(. Po w yłączeniu ich za czy n ają przew odzić diody zw rotne D2 i D3 (z pow odów w yjaśnionych w opisie poprzedniego schem atu). N astępnie, w zależności od sterow ania, prąd nie płynie przez uzw ojenie transform atora pośredniczącego T „ po czym w następnym cyklu rozpoczyna przew odzić para tranzystorów T2 i T3 lub po diodach D2 i D 3 nie m a okresu bezprądowego - od razu rozpoczyna przew odzić para tranzystorów T2 i T3. Później, analogicznie jak poprzednio, rozpoczyna przew odzenie para diod D | i D4 i gdy prąd osiąga w artość zerową, następuje okres, w którym nie płynie prąd i po pew nym czasie rozpoczyna przewodzić ponow nie para tranzystorów T| i T4 lub natychm iast rozpoczyna przewodzić para tranzystorów T] i T4 - od tego m om entu cykl się powtarza.
3. W Y N IK I S Y M U L A C JI
S ym ulacje układów opisanych w poprzednim punkcie dokonano w program ie TCAD 6.2.
Przebiegi m ocy w ydzielanej w obciążeniu dla opisanych wcześniej układów przedstaw ia w ykres na rys. 7.
P[W]
--- pO z rys. 2 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L lA -V V N K [m n o ż n ik 3] czas w [ms]
--- pO z rys. 3 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L 2 IIA .W N K [m n o ż n ik 3]
--- pO z rys. 4 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L 2 IA -W N K [m n o ż n ik 3]
--- pO z rys. 5 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L 3 1 IA .W N K --- pO z rys. 6 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L 3 1 A .W N K
Rys. 7. P rzebiegi m ocy w ydzielanej w obciążeniu dla poszczególnych układów Fig. 7. W aveform s o f pow er released in the load for chosen feeders
Badania sym ulacyjne zasilaczy. I 17
Z pow yższych w ykresów w ynika, że najw iększą moc w ydzielaną w obciążeniu uzyskuje się dla układu przedstaw ionego na rys. 6. W ynika to z dwóch najw ażniejszych przyczyn:
energia przekazyw ana je s t do obciążenia przez cały okres pracy falow nika Fal 1 oraz w układzie tym w ystęp u ją niskie straty energii ze w zględu na to, że z w yjątkiem czasu kom utacji w prostow niku Prost 2 przew odzi tylko jed n a dioda. Najgorzej w tym zestaw ieniu w ypadły układy opierające się na falow niku zasilanym z dzielnika pojem nościow ego. Nie pow inno to jednak dziw ić, g dyż należy zauważyć, że układ zasilany je st połow ą nom inalnego napięcia. W pływ kom utacji na przebiegi mocy w układach opisany zostanie w dalszej części.
N a przebiegi m ocy, w rozpatryw anych układach, m ają w pływ także param etry zaworów energoelektronicznych. Przyjęto dw a m odele zaworów. W obu tych m odelach rezystancja blokow ania tranzystorów i diod w ynosiła 10 kQ. M odele te różniły się tym , że w pierwszym m odelu rezystancja przew odzenia tranzystora i diody wynosi 0,01 Q, a spadki napięcia dla tranzystorów i diod w ynoszą 0,7 V, natom iast w drugim przypadku przyjęta została rezystancja przew odzenia: dla diody na poziom ie 0,005 Q , a dla tranzystora - 0,01 fi, zaś spadki napięć w stanie przewodzenia: na diodzie 0,7 V, a na tranzystora 1.4 V. Przebiegi mocy w ydzielanej w obciążeniu dla opisanych wyżej param etrów przedstaw ia rys. 8.
P[W]
pO z rys. 6 D=1 z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L3IA -W N K czzs w [ms]
pO z rys. 6 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K L3IC .W N K
Rys. 8. P rzebiegi m ocy na obciążeniu dla różnych param etrów zaworów: układ A - Rpt = 0,01 Q , Rpd = 0,005 Q , U tor = 1,4 V, UfOD = 0,7 V, układ B - Rpy = 0,01 Q , Rpd = 0,01 Q , Uroi = 0,7 V, U tUD = 0,7 V
Fig. 8. W aveform s o f pow er released in the load for different rectifier parameters: system A - R pT = 0,01 Q , R pD = 0,005 Q , U (d t = 1,4 V, U roD = 0,7 V, system B - R pT = 0,01 Q, R pD = 0,01 Q , UfUT = 0,7 V, U roD = 0,7 V
118 A .M arek, T.Rodacki Z p rzebiegów ty c h w ynika w yraźnie, że dw ukrotny w zrost napięcia przew odzenia tranzystora (m im o obniżenia rezystancji przew odzenia diod) staje się przyczyną dosyć znacznego spadku m ocy w ydzielanej w obciążeniu.
W pływ znaczących zm ian częstotliw ości pracy falow nika Fal 1 dla danego transform atora pośredniczącego na przebiegi mocy w ydzielanej w obciążeniu przedstaw ia rys. 9.
P[W]
Rys. Q; układ A _Rys._óL układ B
-Ry? układ Ą.
-t-
pO z rys. 2 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K LlA .W N K pO z rys. 2 D - l z p lik u C :\D O K G R A N T \U K LlD .W N K pO z rys. 6 D - l z p lik u C:\DOKGRANT\UKL3lA.VVNK pO z rys. b D - l z p lik u C:\D OK G R A N T\U K L3ID .W N K
-Rys.-?rtikładfr
czas w [ms]
Rys. 9. W pływ częstotliw ości na przebiegi m ocy w ydzielanej w obciążeniu: układ A - fFai i = 1 kH z, układ B — fFai i = 10 kHz
Fig. 9. Influence o f frequency on w aveform s o f pow er released in the load: system A - fFai i = 1 kH z, system B — fFai i = 10 kH z
Przedstaw ione na pow yższym rysunku przebiegi uw idaczniają spadek mocy wydzielanej w obciążeniu w raz ze w zrostem częstotliw ości. Należy nadm ienić, że dobrze w takim przypadku prezentuje się u kład z rys. 2 , co w iąże się z faktem szybszego przejm ow ania prądu obciążenia przez diodę zerow ą, a co za ty m idzie ograniczenia efektu kom utacji prostow nika Prost 2, jak m a to m iejsce w pozostałych przypadkach. Tak znaczne zm niejszenie się mocy w ydzielanej w obciążeniu dla układu z rys. 6 uzm ysław ia konieczność odpow iedniego dobom transform atora pośredniczącego (dla odpow iednio dobranej częstotliw ości pracy i transform atora pośredniczącego układ ten um ożliw ia przekazyw anie najw iększych mocy).
W pływ indukcyjności rozproszenia transform atora pośredniczącego dla wyższej częstotliw ości pracy falow nika Fal 1 na kom utację zaw orów prostow nika Prost 2, a w zw iązku z ty m rów nież n a m oc w ydzielaną w obciążeniu przedstaw ia rys. 10. Przebiegi te w yraźnie w y k az u ją w pływ , ja k i m a indukcyjność rozproszenia na czas kom utacji zaworów p rostow nika P rost 2. W artość tej indukcyjności decyduje o nachyleniu narastania i opadania
B adania sym ulacyjne zasilaczy. 119
prądu przepływ ającego przez kom utujące diody, a tym sam ym na czas samej komutacji i wartości prądu przepływ ającego przez indukcyjność L.
Z przeprow adzonych sym ulacji w ynika także, że zwiększenie liczby próbek przypadających na je d en okres falow nika Fal 1 ze stu do tysiąca nie wprowadziło zauw ażalnych zm ian w przebiegach w ykresów mocy w ydzielanej w obciążeniu. Nie zauw ażono także zm ian w przebiegach mocy w ydzielanej w obciążeniu przy zmianach częstotliw ości pracy falow nika Fal 2 (będących poniżej częstotliw ości pracy falow nika Fal 1).
Rys. 6; ID 9 Rys. 6; ID 10 układ A układ A
--- ID9 z p lik u C :\D O K CR A N T\U K L3ID .W N K czas w |ms]
--- ID10 z p lik u C :\D OK GR ANT\U KL3ID.W NK --- ID9 z p liku C:\D O K G R A N T \U K L3ID l.W N K --- ID10 z p lik u C :\D O K G R A N T \U K l3 ID l.W N K
Rys. 10. Przebiegi prądów diod prostow nika Prost 2 dla różnych param etrów transform atora T r: układ A - T ri, układ B - Tr2
Fig. 10. W aveform s o f currents o f rectifier Prost 2 diodes currents for different param eters o f transform er: system A - T r|, system B - Tr2
4. WNIOSKI KOŃCOWE
W w yniku przeprow adzonych sym ulacji stwierdzono, że:
a) przy danym obciążeniu najw iększą m oc w ydzieloną w obciążeniu osiągnięto w układzie falow nika Fal 1 dla schem atu z rys. 6 (układ z falownikiem Fal 1 w postaci jednofazow ego, m ostkow ego falow nika napięcia oraz prostow nika Prost 2 - w
postaci jednofazow ego, dw upołów kow ego prostownika),
b) zawory falow nika Fal 1 pow inny być tak wysterow ane, by zapewnić zerową wartość średnią napięcia zasilającego transform ator pośredniczący,
c) najw iększe m ożliw ości w kształtow aniu prądu w yjściow ego um ożliw ia układ z falow nikiem Fal 1 w postaci m ostka jednofazow ego.
d) najm niejsze m oce w yjściow e uzyskano dla układów z falow nikiem Fal 1 zasilanym z pojem nościow ego dzielnika napięcia (rys. 3 i 4), głów nie za przy czy n ą zasilania układu p o ło w ą nom inalnego napięcia,
e) zm niejszenie kroku całkow ania nie pow oduje istotnych różnic w m ierzonej wartości m ocy w ydzielanej w obciążeniu (pow oduje to jednak znaczne w ydłużenie czasu obliczeń),
f) nie zauw ażono w iększego w pływ u częstotliw ości pracy falow nika Fal 2 na moc w yd zielan ą w obciążeniu,
g) istotny w pływ na stosow anie sensownej górnej granicy częstotliw ości roboczej falow nika Fal 1 m a odpow iedni dobór transform atora pośredniczącego ze względu na uw idaczniający się w pływ kom utacji zaw orów prostow nika Prost 2 dla wyższych częstotliw ości (spadek m ocy w ydzielanej w obciążeniu),
h) stosunkow o najm niej podatny na spadek m ocy wydzielanej w obciążeniu przy zw iększaniu częstotliw ości okazał się układ z rys. 2,
i) w przeprow adzonych sym ulacjach zauw ażalny w pływ na osiągane wartości w ydzielanej m ocy w obciążeniu m ają param etry zaw orów energoelektronicznych, a zw łaszcza napięcia panujące na nich w stanie przewodzenia.
120_______________________________________________________________ A. Marek, T.Rodacki
L ITER A TU R A
1. Barlik R., N ow ak M.: Technika tyrystorow a. W NT, W arszaw a 1985.
2. B arlik R., N ow ak M., T unia H., Sm im ow A.: Układy energoelektroniczne. WNT, W arszaw a 1982.
3. O borski W.: N ow a generacja zasilaczy łuku - zasilacze inw ertorow e. B iuletyn Instytutu S paw alnictw a w G liw icach nr 1/9].
4. T unia H., W iniarski B.: P odstaw y energoelektroniki. W NT, W arszawa 1975.
Pracę w ykonano w ram ach projektu badaw czego N r 8 T10A 006 17 finansow anego przez K om itet B adań N aukow ych w latach 1999 - 2000.
R ecenzent: Dr hab. inż. C zesław Sajdak, prof. Pol. Śl.
W płynęło do R edakcji dnia 31 m aja 2000 r.
Badania sym ulacyjne zasilaczy. 121
A b stra c t
The paper contains m athem atical analysis o f feeders w hich can be used to supply load in form o f electric arc. The stess is laid checkup o f chosen types o f feeders properties. M aximum ratings and influence o f feeder param eters on the pow er released pow er in the load power.
The load is assum ed as a resistance because we can describe electric arc as a nonlinear resistance. In the paper the load was chosen as constant resistance, because it is easier to investigate feeders features in that case. Analysis was based on the carried out series o f sim ulations o f the chosen feeders by the sim ulator program TCA D 6.2. Electric diagram s o f the tested feeders and released pow er waveform s in the load are also shown. M axim um o f the released pow er w as obtained in the electric system w hich is shown in Fig. 6. Influence o f the transistors param eters and the inverter Fal 1 frequency was observed in the sim ulations in all tested feeders. The sim ulations confirm ed that increase in the transistor forw ard voltage results in released pow er in the load. There was also obtained and proved assum ption that increase in the frequency causes the lower released pow er in the load. Such a situation occurs because o f the relative long com m utation tim e o f the diode rectifier Prost 2 during one period o f the inverter Fal 1. It should be noted that the upper lim it o f the inverter Fal 1 frequency results from occurrence o f the transform er leakage inductance.
